CC BY
66
Г орный информационно-аналитический бюллетень
ГОРНЫЕ
МА
Ш
ИН
Ы
И
ОБОРУДО
В
АНИЕ
Ц;!,;! © А.И. Бобров, О.И. Кашуба, •
И.С. Фридман,• А.С. Иванькова.
; ; ; ; ; 2000
УДК 622.25/26:622.807:622.815
А.И. Бобров, О.И. Кашуба, И.С. Фридман,
А.С. Иванькова
НЕПРЕРЫВНЫЙ КОНТРОЛЬ ПЫЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ И ВЫБРОСООПАСНОСТИ ПРИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ПРОХОДКЕ ВЫРАБОТОК
В условиях постоянно меняющейся горно-геологи-ческой обстановки в движущихся забоях подготовительных выработок важное значение приобретают методы непрерывного дистанционною контроля экологической и газодинамической опасности. Отсутствие такого контроля не позволяет своевременно обеспечить выбор наиболее эффективного комплекса обеспылевающих и противовыбросовых мероприятий. В результате заболеваемость пневмоко-ниозом горнорабочих угольных шахт Украины резко возросло. Количество вновь выявленных больных на 1ООО осмотренных, которое обычно характеризует частоту заболеваемости горнорабочих пневмокониозом, возросло с 0.2 в 1987 г. до 0.5 в 1997 г. Весьма серьёзное положение сложилось и с газодинамической опасностью на угольных шахтах. Несмотря на оптимистические прогнозы некоторых учёных об уменьшении выбросоопас-ности с глубиной, газодинамические явления продолжают происходить и на глубинах (1200 - 1400 м, частота и интенсивность их существенно не снижается. Положение усугубляется также ограничением технических возможностей выполнения противо-выбросных мероприятий ввиду дефицита энергетических и материальных ресурсов в угольной отрасли. В создавшихся условиях единственным резервом повышения безопасности являются разработка новых и активизация внедрения ранее созданных высокоэффективных технологий в области охраны труда. В
связи с этим для осуществления непрерывного контроля запылённости воздуха в выработках при различных технологических процессах МакНИИ совместно с НГА Украины и ОАО "Красный металлист" провели исследования по разработке оперативного измерителя запылённости воздуха для унифицированного комплекса контроля рудничной атмосферы. В результате выполнения этих исследований создан датчик контроля запылённости воздуха ДЗВ.500, работа которого основана на оптическом методе отсчёта пылевых частиц.
Датчик запылённости предназначен для оперативного пылевого контроля путём автоматического непрерывного
измерения концентрации рудничнои пыли в заданной месте горноИ выработки, отображения информации на цифровых индикаторах датчика, а также передачи информации для записи настойки измерения метана в диспетчерском пункте шахты. Датчик предназначен также для местной и дистанционной сигнализации о превышении технически достижимого уровня остаточной запылённости воздуха, устанавливаемою для очистных и подготовительных забоев в соответствии с §249 "Правил безопасности в угольных шахтах", ДИАОП 1.1.30.-1.01.96 изд. Киев, 1996 г. Технические данные созданного датчика приведены в табл. 1. Областью применения датчиков ДЗВ.500 являются горные выработки угольных шахт, в том числе опасных по газу, пыли и внезапным выбросам.
Основные места размещения датчиков - очистные, подготовительные забои, а также пункты перегрузки угля и породы. Датчик запыленности воздуха ДЗВ.500 обеспечивает работоспособность в условиях эксплуатации, приведенных в табл. 2.
Созданный прибор существенно расширяет возможность контроля экологической обстановки в выработках, поскольку наряду с непрерывно поступающими к оператору данными аппаратуры АКМ о концентрации метана появляется новый показатель -концентрация пыли. В свою очередь, непрерывный контроль концентраций метана и пыли открывает новые воз-
Таблица 1
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКА ДЗВ.500
№ п/п Показатель Величина показателя
Диапазон измерения массовой концентрации пыли, мг/м3 10-500
2 Диапазон показаний, мг/м3 2-999
3 Предел допустимой основной абсолютной погрешности, мг/м3 ±(2+0.25С*),
Плотность вещества пыли, кг/мА 1000--3000
5 Напряжение питания переменною тока, В 50±3
6 Потребляемая мощность, не более, ВА 2.4
7 Полное время установления показаний, не более, с 60
8 Время прогрева, не более, мин. 3
9 Цена единицы наименьшего разряда цифровых показателей, мг/м3 1
10 Исполнение датчика
Уровень взрывозащиты Особовзрывобезо пасный, РО
Вид взрывозащиты Искробезопасная электрическая цепь, ИА 1Р54 (кроме опти-
Степень защиты от внешнего воздействия по ГОСТ 14254-80 ческого канала)
*С- концентрация пыли, мг/м3
Московский государственный горный университет
можности для разработки дистанционного контроля газодинамической опасности. Применяемые в настоящее время методы текущего прогноза вы-бросоопасности и контроля эффективности противовыбросных мероприятий имеют во времени дискретный характер и основывается на измерении всего одного показателя -начальной скорости газовыделения из шпуров или акустической эмиссии горного массива. При этом не исключается возможность нарушения их параметров по техническим, технологическим или личностным причинам. В условиях отсутствия резервной линии защиты эти нарушения представляют серьезную опасность. Кроме того, эти методы прогноза обладают весьма низкой надёжностью (5 - 10 %) по ошибкам второго рода, когда при прогнозе "опасно" выбросы отсутствуют, что приводит, во-первых, к значительным материальным затратам на выполнение противовыбросных мероприятий в неопасных зонах и, во-вторых, многократное повторение ситуаций, связанных с ошибками второго рода, способствует притуплению остроты восприятия и отрицательному отношению к соблюдению параметров прогноза. При этом сложившееся положение является неслучайным. Известно, что причина внезапных выбросов угля и газа обуславливается комплексным взаимодействием основных признаков: геологического строения, горного и газового давления, физико-механических и структурных параметров пластов, гравитационных сил и др. Следовательно, чтобы выявить наличие выбросоопас-ностн нужно надёжно определить критериальные показатели всех необходимых и достаточных признаков, а чтобы установить её отсутствие, достаточно найти и качественно определить критериальный показатель одного из необходимых признаков [1]. Поэтому в течение 1980 - 1990х годов неоднократно проводились исследования по определению наиболее результативных показателей для прогноза выбросоопасности и контроля эффективности противовыбросных мероприятий. В этих исследованиях для оценки выбросоопасности использовался один из признаков, характеризующих шумность пласта, газовы-деление в выработку или амплитудно-
частотный спектр естественного акустического сигнала при воздействии на пласт в процессе выемки угля или бурения шпуров. По изменению параметров указанных признаков определялся вход забоя в выбросоопасную зону. Проводились также исследования по созданию комплексного метода прогноза выбросоопасности, включающего параметры нескольких признаков. Однако широкого применения в условиях шахт Донбасса результаты этих исследований не получили, поскольку изменения параметров упомянутых выше признаков отражали не только напряженно-
деформированное состояние призабойной части угольного пласта, но и ряд других факторов, несвязанных с формированием выбросоопасной ситуации. Для исключения влияния этих побочных факторов появилась возможность использовать совместно с измерением газовыделения в выработку при выемке угля показатель, характеризующий удельное пылевы-деление, определяемое количеством пыли, перешедшим во взвешенное состояние, к единице разрушенной горной массы. Кроме того, известен способ определения выбросоопасных зон [2], в котором в качестве единственного регистрируемого показателя применяется концентрация пыли. При этом в подготовительной выработке с комбайновой технологией проходки измеряют концентрацию пыли воздуха при выемке угля в зоне разгрузки и определяют её среднее значение. После выхода забоя выработки за пределы зоны разгрузки с помощью непрерывных измерений осуществляют контроль концентрации пыли. Наличие выбросоопасных зон определяют при условии П2>1.5 Пь где Пь П2 -средние значения концентраций пыли в зоне разгрузки и за ее пределами в мг/м3 Возможность использования концентрация пыли в качестве одного из показателей выбросоопасности вытекает также из следующих теоретических предпосылок. Пылеобразова-ние и выбросоопасность являются следствием одного процесса - превращение более или менее сплошного твердого тела (пласта) в сыпучую массу, т. е. дробление (разрушение) с высокой степенью диспергирования угля. Извечны также общие факторы, способствующие увеличению пылеоб-
разующей способности пласта и проявлению выбросоопасности. К ним относятся: уменьшение природной
(естественной) влажности угля: повышение прочности боковых пород: снижение прочностных показателей угля: хрупкий характер разрушения угля (породы); степень диспергирования угля (пород) при разрушении. Более того, анализ пылеобразующей способности невыбросоопасных и опасных по внезапным выбросам угольных пластов, приведенный в работе [3], показал, что удельное пыле-выделение достигает максимальных значений до 2000 г/т на шахтопластах с массовым проявлением выбросо-опасности, при разработке которых зарегистрировано более 200 выбросов угля и газа. Это указывает, что разрушение угля в процессе выемки происходит не только исполнительным органом добычных и проходческих комбайнов, но и с участием дополнительной энергии горного массива.
При разрушении угля (пород) по мнению ПА. Ребиндера энергоемкость разрушения включает в себя как затраты на деформацию среды, гак и затраты, связанные с образованием ноной поверхности [4]:
А = — + ^, (1)
2Е V
где А - суммарная удельная энергоёмкость разрушения; ст - прочностная характеристика пород; стп - поверхностная энергоемкость разрушения; Е -модуль упругости пород; ДО - вновь образованная поверхность: V - разрушаемый обьем.
Из уравнения (1) следует, что с уменьшением прочностных характеристик угля и поверхностной энергоёмкости его разрушения, которые имеют место в выбросоопасных зонах, при постоянных энергических затратах возрастает степень дробления и, следовательно, пылеобразующая способность угля. В условиях неопасных пластов или зон разгрузки в призабойной части массива выбросоопасных пластов энергия разрушения пород и угля обеспечивается только за счёт работы исполнительного органа машин и механизмов. Дополнительный источник энергии появляется при входе забоя в выбросоопасную зону. В этом случае мгновенно высвобожда-
ется потенциальная энергия упругих деформаций массива в результате его перехода в новое равновесное состояние при образовании исполнительным органом свежеобнажённой поверхности отторжения. Ввиду мгновенности выделения энергии обеспечивается хрупкий характер разрушения массива. Это разрушение является наименее энергоёмкой из всех возможных и обеспечивает высокую степень диспергирования угля (пород). Величина этой энергии согласно [З] равна
U = К(УН)2 x 2Ep
x (^p -^p)2 cos2(a) + 2^p(1 -^p)sin2(а)]
(2)
где U - величина высвобождаемой массивом энергии, Дж/м3: у - плотность пород, 2.З т/м3; Н - глубина выработки от поверхности, м; К - коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается (уменьшается) вертикальная составляющая геостатиче-ского поля напряжений в конкретных горно-геологических и горно-техпических условиях; |ip, Ep - соответственно коэффициент Пуассона и модуль упругости угля в массиве, МПа; Xp=^.p/(l-|ip) - коэффициент бокового распора угля в массиве; - угол напластования пород, град.; Р - давление газа в массиве, МПа. С уменьшением прочности и газонасыщения угля уменьшается модуль упругости (Ep), а увеличиваются коэффициенты Пуассона (|ip) и бокового распора (Xp), что согласно зависимости (2) приводит к увеличению общего уровня высвобождаемой энергии массива. Следовательно, чем выше газоносность пласта тем больше величина дополнительной энергии, выделяемой при разрушении угля. Поскольку источник
дополнительной энергии повышает пылеобразующую способность пласта, а рост его газоносности способствует увеличению газовыделения в горную выработку, поэтому может иметь место взаимосвязь концентраций метана и пыли. В зоне разгрузки призабойной части массива наряду с уменьшением уровня дополнительной высвобождаемой энергии за счёт уменьшения напряжении происходит интенсивная дегазация массива, что приводит к увеличению прочности угля и энергоёмкости его разрушения, а следовательно к уменьшению концентрации пыли и газа. Значительное влияние на величину высвобождаемой энергии оказывает анизотропия физических свойств массива. Появление в пласте или в боковых породах малопрочных или весьма прочных пачек (слоев) приводит к увеличению коэффициента бокового распора (Хр) что обуславливает рост высвобождаемой энергии массива. При входе забоя в выбросоопасную зону процесс отжима замедляется, величина зоны разгрузки уменьшается и поэтому образование исполнительным органом свежеобнажённой поверхности происходит на участке концентраций напряжений, что приводит к увеличению выделяемой энергии, за счет которой обеспечивается рост концентрации газа (и пыли в выработке. Таким образом, есть основания полагать,что существует взаимосвязь между газовыдсле-нием и пылевыделением при выемке угля В методическом плане непрерывный прогноз выбросоопасности на основе использования процессов газо-выделения и пылевыделедения в выработки может выполнятся следующим образом На стадии разведочных наблюдений по текущему прогнозу
выбросоопасности на основе использования процессов газовыделения и пылевыделения в выработки может выполнятся следующим образом. На стадии разведочных наблюдений по текущему прогнозу выбросоопасности в соответствии с [6] в невыбросоопасных зонах производятся замеры максимальных концентраций газа и пыли и определяются промежутки времени увеличения концентраций газа и пыли до максимального уровня при выемке угля в каждом цикле проходки выработки и снижения этих концентраций до уровня фоновых. После соответствующей статистической обработки полученных данных определяются максимальные величины названных промежутков времени. В качестве критериальных показателей может быть принято увеличение не менее чем на 25 % концентрации газа и пыли и уменьшении не менее чем на 25 % фиксированных промежутков времени в не опасных зонах. Расстояние от забоя выработки, на котором следует располагать приборы, определяется таким образом, чтобы максимальные концентрации, принятые для выбросоопасных зон, не выходили за пределы диапазонов измерений приборов. Предлагаемый непрерывный прогноз выбросоопасности является технологичным, поскольку для ето осуществления не требуется дополнительной операции в технологическом цикле проходки выработки. Экспериментальная проверка этого способа позволит получить критериальные величины для различных горногеологических и горно-технических условий разработки выбросоопасных угольных пластов па шахтах Донбасса.
^ИОДК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобров А.И., Фридман И.С., Новое направление повышения запаса работ на выбросоопасных пластах, // Уголь Украины - 1994. -№1. - . -33. - 36.
2. Рейпольский П.А., Фридман И.С., Способ определения выбросоопасных зон в угольном пласте, // Патент; Российской Федерации №49467993/03,30.08. 1994. Бюллетень №16.
3. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах, //Изд-во "Недра", - 1979, 320 с.
4. Спивак А.И., Механика горных пород, // Изд-во "Недра", М.-1967, 192 с.
5. Фридмаи И.С. Энергия массива н условия ее реализации при выбросах угля и газа. // Уголь Украины 1983. - №10. - 38 - 39.
6. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, по внезапным выбросам угля, породы и газа // Изд-во Института ]горного дела им. А.А Скочинского,. М. - 1989., 192 с.
і^Ш-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-ї-
Бобров А.И., Кашуба О.И., Фридман И.С. МакНИИ. Иванькова А.С. ГХК «Максону! оль», Украина.
